LED路灯结构设计优化

在做结构设计的过程中，如前文所说，结构强度和防水是重点。首先来确定散热器的材料和制造工艺，可在铝挤和压铸铝两种工艺中选择。在这里我们考虑到灯具的一体性，选择压铸铝来做灯具的外壳兼散热器。从结构来说很简单，只要把光源和电源放在一个腔体里面，然后密封好，防止水和灰尘进入，再考虑走线和安装的便利性，整个结构就可以了。但路灯作为户外照明灯具，不仅仅起照明的作用，在非照明时间，也需要起到很好的美化环境的作用，所以路灯的外形也很重要，起码客户在挑选灯具的时候也会考虑这一点因素。路灯的外形各种各样，根据设计师的理念不同，水平不一样，设计出的灯具也不一样。一个比较漂亮的路灯产品，需要从各个方向上看都有不错的效果，特别是从下方和侧方，同时和灯杆配合也很融洽。本例中对产品的外观设计不做过多的介绍，毕竟外观设计与设计人员的审美水平关系密切，没有特定的方法可言。

在做结构设计的时候，还有一个很重要的问题就是考虑安装的便利性。需要考虑到，当安装人员在安装路灯的时候，是在高空中操作，所以安装的简易性也是至关重要。在安装灯具的时候有两个问题是必须要考虑的，即接线和固定灯具。接线就是灯具的输入线要与市电相接，固定灯具就是把路灯固定到灯杆上。两者的先后顺序与设计的结构有关。从安装的便利性来说，应该是先固定到灯杆上，然后接线会更好一些。因为在安装时，接好线以后再把灯具往灯杆上装的时候，需要把电线往灯杆里放，安装人员要一边抱住灯具，一边把线慢慢往灯杆里面放，非常的困难，很不利于安装。便捷的方法是先把灯具固定到灯杆上锁紧，然后再接线，就非常的方便。所以在结构设计上要考虑到这一点。如图4.55所示是一款路灯的结构图。

如图4.56所示，在安装灯具时，先将灯具固定到灯杆上，锁紧灯具上的两个螺丝，让灯具固定到灯杆上，然后再开始接线。

图4.55 一款路灯的结构图

图4.56 安装灯具时状态

关于路灯的接线，也需要符合标准的要求。根据GB7000.1第5章和GB7000.5的10.1节要求，灯具应该具备一个软线固定架，以消除电源电缆的导体连接到接线端子上所产生的张力，如果没有软线固定架，电源电缆的重量将会在连接点上施加一个拉力。所以在与电源电缆连接时，首先是需要一个接线端子，然后还要一个软线固定架。这里我们采用带有接线端子的接线盒来连接电源电缆，同时对于接线盒还有防水要求，因为接线盒所放的位置是不防水的。如图4.57所示是一款具有软线固定架并且具有IP65防水防尘性能的接线盒。

图4.57 具有防水防尘性能的接线盒

在挑选接线盒时需要特别注意的是接线端子的规格，需要满足连接电缆的尺寸要求，同时软线固定架需要能够满足标准GB7000.1第5章中的有关标准，但应采用60N的拉力和0.25N·m的扭矩进行试验。采用拉力和扭矩的数值取决于电源电缆的种类，一般来说，上述规定的数值是合理的，但对于打算安装到高于20m的灯具以及如果电源电缆的重量超过4kg，则应采用100N的拉力和0.35N·m的扭矩进行试验。此款接线的软线固定架既能够起到固线的作用，同时也能够防水。

如图4.58所示，图中是电源腔的结构，主要是放置电源以及接线盒。腔体的设计需要方便安装人员接线，如前所述，安装人员先将灯具装到灯杆上，锁紧两个固定螺丝，然后打开电源腔的盖板，将电源电缆接入到接线盒中，这里的电源电缆入口处没有做防水处理，所以这里我们挑选的电源需要具有较高防水等级的电源。驱动电源和接线盒都是用螺丝固定到灯壳上，驱动电源的输入端是和接线端子连接，输出端是和光源连接。因为输出端的电源线是通过焊接来与光源的PCB连接，所以考虑到驱动电源的易换性（即当驱动电源出现故障需要更换），在驱动电源和光源连接段，不应直接把线从PCB上拆下来，需要增加一个连接头，包含公头和母头，当然连接头是需要防水的，而在驱动电源与接线盒连接的部分，因为接线盒是可以方便拆装的，所以为了节约成本，可以不加连接头。

图4.58 电源腔的结构

电源腔的大小没有特定的要求，但是要满足两个条件：第一，有足够的空间让安装人员进行接线、拆装的工作；第二，驱动电源和接线盒安装完线材接好以后，锁紧电源腔的盖板，要使得线材不会因为扭曲，变形而处于危险状态。

电源驱动是带地线的，地线的连接是在接线盒里通过接线端子与电源电缆的地线连接的。地线在电源驱动的内部与驱动外壳相连接，所以为了能保证外壳的接地连续性，在电源驱动与散热外壳固定的四个螺丝孔处，应该至少要加一个菊花介子，菊花介子需处在电源驱动和散热器之间，以保证在螺丝锁紧的情况下，电源驱动外壳与散热器外壳之间的导通性没有问题。

电源腔的结构定下来以后，现在关键就是光源腔的设计。光源腔的设计在整个灯具的设计部分是极其重要的，涉及到光学、散热、结构的综合考量。下面就来详细讲解本灯具的光源腔的设计。光源腔的分解图如图4.59所示。

从下往上依次为铝基板、光源、透镜、透镜压板、螺丝2（固定透镜和铝基板）、玻璃、玻璃防水条、玻璃压框、螺丝1（固定玻璃用）。

图6.59 光源腔的分解图

铝基板是一种独特的金属基覆铜板，具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。LED铝基板的特点有以下几点：采用表面贴装技术（SMT）；在电路设计方案中十分有利于进行热扩散；降低产品运行温度，提高产品功率密度和可靠性，延长产品使用寿命；缩小产品体积，降低硬件及装配成本；取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久性。LED铝基覆铜板是一种金属线路板材料，由铜箔、导热绝缘层及金属基板组成，它的结构分为三层：线路层，相当于普通PCB的覆铜板，线路铜箔厚度1oz至10oz。绝缘层，绝缘层是一层低热阻导热绝缘材料。基层，是金属基板，一般是铝或铜材质。这3层的作用分别是：第一层做电路用（导电）。第二层是关键它负责把LED产生的热量快速的传给铝板，需要知道这个导热绝缘材料的热阻。第三层的作用是把导热绝缘材料导出来的热再一次传给散热器。现在市场上铝基板的种类很多，在挑选铝基板的时候要根据具体的使用场合来确定。虽然说铝基板的导热系数越高越好，但是还应考虑成本因素。所以要从性价比去考量铝基板的选择，有特殊要求的情况除外。

铝基板的选材是一方面的考量，铝基板的尺寸及线路布置也存在很多的技巧。首先要确定一下所选电源的输出规格，本例中的LED路灯总共是96颗1W的光源，电源的输出是4路恒流源，单路的电流是350mA，所以铝基板的设计就是24颗LED串联成一路。现在需要确定铝基板的大小以及光源的排列。单从结构上考虑，即只要能够让LED排列到铝基板上就好了，同时要考虑到透镜的尺寸，如下图4.60所示，

图4.60 透镜的外形

透镜的尺寸是19mm×10mm×5mm，所以这里LED的最小纵向和横向间距分别是19mm和10mm，但是还有一个很重要的问题需要注意，那就是散热。如果以这样的间距排列LED，那么在中心区域，热量会比较集中，形成热岛效应，在此位置的LED受热严重。如前文所说，热设计要考虑一个热均匀性，即各个LED的温差相对较小，使得所有的LED的寿命具有一致性。在本案例中LED的间距是26mm×25mm，铝基板的最大外形尺寸是362mm×230mm，铝基板的详细的热设计模拟会在后面展示。实际设计中LED的间距是一个反复的验证过程，即先根据经验预估LED的间距，然后在热设计模拟中进行优化、验证。LED的间距确认以后，接下来就是确定铝基板数量和规格。有些读者会提出直接用一块铝基板。其实并非如此。从设计和理论上来说，一块铝基板没问题，但是在实际生产中，需要考虑到制作工艺和公差，铝基板是和散热器贴合在一起，散热器是铝压铸件，散热器除了钻孔以外，不需要其他的后加工（节约成本），铝基板的尺寸是362mm×230mm，所以散热器的平板部分的尺寸肯定要大于362mm×230mm，而铝压铸件在这个尺寸以上的平面度一般都是在0.4mm以上（普通压铸），如果铝基板是一整块的话铝基板的平面度也将在0.2mm以上，那么铝基板和散热器接触后两者之间的最大间隙可能达到0.6mm以上，而通常为了弥补两者的间隙而导致的导热不良，会在两者之间添加导热膏，而通常我们用的导热硅脂、导热橡胶垫、导热相变胶垫，实际上它们的导热系数值是很低的，切勿被它们冠以的“导热”二字所蒙蔽，它们的作用主要是为了取代热原件与散热器接触面之间的空气。空气是绝热物质，所以它们的导热能力主要是相对空气而言的，就导热的需求来讲，它们的导热能力是非常差的，尽量不用为好。而在这里因为散热器和铝基板的平面度和粗糙度的原因，必须得用到导热膏，所以只能是让导热膏越薄越好，并且要填满铝基板和散热器之间的间隙。

为了减小平面度，本例把铝基板设计成四块，虽然铝基板越小与散热器之间的贴合会更好，但是在生产和组装时大板还是有速度优势，可以节约工时，而且本灯具所选的驱动电源的输出时四路，如果铝基板的数量超出四块，那么必然还得新增接线以进行铝基板之间的连接，所以综合考虑铝基板需四块，如图4.61所示。

焊盘在铝基板的端部，这样排列可以方便接线，电源输出线从电源腔穿过过线孔焊接到铝基板上，无需绕远，如图4.62所示。过线孔的部位可能会存在锋利的边缘，为了保护电线，需添加一个护线套，以防止电线被划破，造成漏电危险。

图4.61 铝基板之间的连接

图4.62 铝基板接线(www.xing528.com)

当铝基板尺寸和数量确定以后，接下来将铝基板固定在散热器上，并且使其和透镜匹配组装。从图6.60中可以看出单颗透镜上两端有两个半圆的固定孔，这个是透镜供应商特意留出来为了固定透镜用的。但是如果每个透镜上要锁两个螺丝，96个透镜就需要192个螺丝，组装时会非常的费劲。而且组装完后，可以很明显的看到透镜上的螺丝，使得整个灯具的外观比较丑陋，产品的档次显得不高。所以可以采用另外一种固定方式，用压板来固定透镜，同时锁紧铝基板。压板的材料采用冷轧钢板，表面做喷粉处理，这样子的外观会比较漂亮，能够提升产品的档次，板的厚度0.5mm强度就可以了。如图4.63所示，一个压板可以固定16个透镜，只用4个螺丝就可以固定好。

图4.63 压板固定透镜

通过压板来固定透镜远比每个透镜用螺丝锁紧要好的多，同时也节省了螺丝，缩短了组装工时，节约了成本。压板的两端会有一个折弯，这是为了把打在光源腔内部的光线反射出去，提高灯具的光效。

如图4.64所示是透镜组装好后的截面图，压板把透镜压在铝基板上，然后用螺丝把压板固定在散热器的螺纹孔中，这样压板、透镜、铝基板都被固定好了，铝基板就不用再单独固定了。铝基板和电源输出线的连接主要有两种，一种是电源线和铝基板直接焊接，第二种是电源线和铝基板上都带有共用连接端子。前者可以节约成本，但组装时对焊线人员的要求较高，后者方便接线和拆线，该方法接线速度快，但是成本高，同时对供应商的要求较高，因为通常驱动电源和铝基板是不同的供应商，除非比较大的公司，能够自己生产电源和铝基板，采用连接端子会更有优势。而一般普通的生产厂家都是采用焊接的方式进行连线，在这里要注意，因为焊盘是裸露的，所以在用压板时，要注意压板和焊盘的距离，不得低于电气安全距离。

图4.64 透镜组装好后的截面图

如图4.65所示为铝基板、透镜、压板组装好后的情况，可以看到靠近焊线的压板离焊盘还有一个安全距离。光源离腔体边缘也有一定的距离，因为靠边缘越近损失掉的光会越多，这个距离最好是通过光学的模拟来确定一个最佳值，离的太远虽然光损降低，但是会增大灯具的尺寸，这又会超出设计的要求。既然压板离腔体边缘有一定的距离，那么从灯具的外部往里看的话，就可以看到露出来的铝基板，电源线等，虽然并不会影响灯具的性能，但是外观上就显得粗糙了一些。这里不要忘记了，在光源的正上方还有一个部件，那就是透光罩。通常透光罩的材质有PC，亚克力，玻璃。PC即聚碳酸酯，耐冲击韧度强（热塑性塑料之首），具有很高的耐热性，耐寒性也很好，抗弯、抗拉强度与尼龙相当，同时还有较高的延伸率和弹性模量，尺寸稳定性好，耐磨性与尼龙相当，耐腐蚀，透明度高，但易产生开裂。常用于制作齿轮、轴承，无色透明PC可用于制造飞机和车辆挡风玻璃。亚克力化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是重要的光学塑料，具有良好的综合性能和光学性能，透明性可与光学玻璃媲美，几乎不吸收可见光的全波段光，透光率高于91%，其光泽好，轻而强韧，成型加工性好，耐化学和耐候性好，缺点是表面硬度低易划伤，吸水易膨胀，可作光学透镜及工业透镜。玻璃相对于前面两者来说在生活当中使用的频率更高，因为在户外使用，玻璃的抗腐蚀性和耐候性也相对前两者更有优势，并且价格更便宜，所以这里会选择玻璃来作为透光罩，这里为满足GB7000.5标准的要求，玻璃需要采用钢化玻璃，而且必须是物理钢化玻璃，下面来解释一下为什么要采用物理钢化玻璃。

图4.65 铝基板、透镜、压板组装好后的情况

钢化玻璃又称强化玻璃。它是用物理的或化学的办法，在玻璃外表上构成一个压应力层，玻璃自身具有较高的抗压强度，不容易造成毁坏。当玻璃遭到外力效果时，这个压力层可将局部拉应力抵消，防止玻璃的碎裂，固然钢化玻璃内部处于较大的拉应力形态，但玻璃的内部无缺陷存在，不会造成毁坏，从而到达玻璃强度的目标。它是平板玻璃的二次加工产物，钢化玻璃的加工可分为物理钢化法和化学钢化法。物理钢化玻璃又称为淬火钢化玻璃。它时将普通的平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度（600℃）时，经过自身的形变消除内部应力，然后将玻璃移出加热炉，再用多头喷嘴将高压冷空气吹向玻璃的两面，使其快速且均匀地冷却至室温，即可制得钢化玻璃。这种玻璃处于内部受拉，外部受压的应力形态，一旦部分发作破损，便会发作应力释放，玻璃被破裂成无数小块，这些小的碎片没有锋利棱角，不易伤人。化学钢化玻璃是经过改动玻璃的外表的化学构成来进步玻璃的强度，普通是使用离子交流法进行钢化。其办法是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃，浸入到熔融形态的锂（Li）盐中，使玻璃表层的Na离子或K离子与Li离子发作交流，外表构成Li离子交流层，因为Li离子的膨胀系数小于Na离子、K离子，然后在冷却进程中形成外层缩短较小而内层缩短较大，当冷却到常温后，玻璃便处于内层受拉，外层受压的形态，其结果相似于物理钢化玻璃。物钢玻璃的优点是破裂后无尖锐角，所以不会伤人，故称安全玻璃；化钢玻璃则无此优点，和普通的玻璃类似。这也是为什么要用物理钢化玻璃的原因。

钢化玻璃还有一个抗冲击的要求，这和玻璃的面积与厚度有一定的关系，这里采用3mm厚的钢化玻璃即可满足要求。为了可以把输出电源线等一些能够从外部看到的零件给隐藏起来，可以在钢化玻璃的两端丝印黑色，同时还可以在黑色部分丝印上产品的型号，或者公司名称，如图4.66所示。

图4.66 钢化玻璃的两端丝印黑色

两端的透镜压板与中间部分的透镜压板结构上有些不一样，两端的透镜压板既要能把不美观的零件隐藏好，又需要把灯具内部损失的部分光给反射出去，所以这里两端的透镜压板如图4.67所示。

图4.67 两端的透镜压板

现在光源腔内部的结构也基本完成，接下来就是光源腔部分的防水设计工作。防水的设计变化多样，需要根据具体的结构来具体设计。本例中，可以利用玻璃外加硅胶条来进行密封防水。防水结构设计有几个关键点要注意：第一，结构的防水性能必须没有问题。第二，便于组装。第三，成本低廉。这里采用长条型的防水条就可以满足以上三点要求。防水条的材质通常有硅胶、橡胶、发泡条等。硅胶和橡胶的耐候性比较好，但橡胶的硬度比较高，在密封面积较大，但锁紧力较小的情况下不适用，而发泡条的耐候性较差，硬度在三者中是最小的，所以这里我们首选硅胶条来防水。硅胶防水条的截面形状可以有不同的选择，可以采用圆形的防水条也称O型防水条，如图4.68所示，可以在散热器上设计一个防水槽，然后把圆形的硅胶条放入槽内，上面装上玻璃，最后再用玻璃压框固定住玻璃就可以了。这里采用圆形的防水条有一个配合的问题，防水条截面尺寸太小容易防水失效，太大就会增加散热器的体积。这里推荐3mm直径的防水条，同时在散热器上的防水槽的截面可以设计成倒置的梯形，对于梯形的截面尺寸有比较严格的要求，根据硅胶条的硬度不同，槽的尺寸也会有变化，这里需要实际的经验，采用邵氏硬度为25的3mm直径的硅胶条，槽的截面形状如上所说，采用倒置的等腰梯形，梯形的截面尺寸上底2.8mm，下底2.2mm，高2mm。

图4.68 O型防水条

还有一种是U型的防水条，如图4.69所示，从截面我们可以看到，防水条上有几个小凸台，当小凸台被压紧的时候，可以起多重的防水作用，与圆形的防水条安装方式不一样的是，U型的防水条是安装到玻璃上如图4.70所示，然后再固定到散热器上。防水条在安装的时候，在首尾端接合处可以点一点固化胶，以防止防水条滑落。

图4.69 U型的防水条

图4.70 U型防水条安装到玻璃上

如图4.71所示玻璃压框是压铸成型，因为压框的面积大，但厚度相对较薄，所以整个压框的平面度不是很好保证，要注意在设计时，预留一个回弹量，以防止其翘曲。压框上的螺丝孔位间距要控制好，这是压框设计中非常重要的一点，是为了要保证防水条的受力均匀，受力分布不均匀会导致防水条预压太松或太紧，防水条局部松动会导致防水不良，但也不是压得越紧越好，压太紧会超出防水条的屈服强度，当产品经过高低温测试后防水条会失去弹性。同时为了外部美观，螺丝孔可以采用沉头孔，而螺丝也是选用相应的沉头螺丝，这样螺丝头就不会露出压框的上表面，外观上也会更好。

图4.71 玻璃压框

这样整个LED路灯的结构设计已经完成。